CN108223022B - 一种阵列射流冷却中的扰流结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃气轮机及航空发动机高温部件冷却及其他一些涉及到阵列冲击射流冷却的领域，具体为一种阵列射流冷却中高效的扰流柱结构，提供三种扰流柱结构设计，包括一种四棱柱形状扰流柱阵列排布的射流靶板，一种月牙圆弧柱状扰流柱阵列排布的射流靶板，一种哑铃形状扰流柱阵列排布的射流靶板。本次设计的优势在于使用最少的冷却空气量，最大程度的提高冷却效率，并且降低冷却壁面整体的温度梯度，使传热更加均匀稳定。

Description

一种阵列射流冷却中的扰流结构
技术领域：
本发明属于燃气轮机及航空发动机高温部件冷却及其他一些涉及到阵列冲击射流冷却的领域，具体为一种阵列射流冷却中高效的扰流结构。
背景技术：
燃气轮机能够提供强大动力，主要通过其高温高压燃气来实现的，高温燃气的初始温度决定着燃气轮机的工作效率。但是随着燃气温度的提高，对燃气轮机的高温部件工作的稳定性以及寿命带来了严峻的考验。现在燃气轮机透平一级动叶的燃气温度已经达到了1800K以上，这样的恶劣的工作环境极其制约燃气轮机的工作效率以及寿命。必须采用有效的冷却技术。
目前，燃气轮机的发展趋势是提高温升和降低污染物的排放，二者都需要较大范围的提高用于燃气轮机燃烧室的空气比例，由此导致用于燃机热端部件的冷却空气比例降低。在保证燃气轮机热效率的情况下，如何通过更少的冷却空气量，更有效的冷却燃机的热端部件是目前迫切需要解决的问题。
在所有的冷却技术中，阵列射流冲击冷却技术能够最大限度的提高局部传热系数，对于高温，具有大量热量需要被吸收的表面来说，使用冲击冷却是最有效的方法。但是冲击冷却中只有在冲击驻点附近的边界层很薄，在其他区域由于壁面存在气体边界层，影响了壁面的换热效果，导致整个靶板的换热不均匀，从而影响燃气轮机的使用。而在冲击靶板上设置扰流元件的阵列射流冲击冷却，不仅可以在射流驻点区域最大程度的降低边界层的厚度，还可以加强内部通道的扰动，加大冷区通道内部冷却气流的湍流度，扩展换热表面积，进一步强化换热效率。
现有的阵列射流冷却系统中具有如下局限性：
(1)上流冲击孔的冷却气流冲击靶板之后，会在冷却通道内产生一定量的横流，横流会对下流的射流产生影响，使下流射流发生偏移，导致靶板的冷却效果不均匀。
(2)在阵列射流冷却系统的靶板上设置扰流元件后，由于扰流柱形状的不理想，使其不能有效的阻碍横流的发展，导致换热效果的改善不理想，靶板的温度梯度虽然有所改善但温度梯度很大，冲击靶板的换热仍然很不均匀。
发明内容：
本次设计目的在于使用最少的冷却空气量，最大程度的提高冷却效率，同时降低了冷却壁面整体的温度梯度，使传热更加均匀稳定。为实现上述目的，本发明的方案如下：
一种阵列射流冷却中的扰流结构，包括射流孔板及射流靶板，所述的射流孔板上设有多个阵列排列的冲击孔，所述射流孔板位于所述射流靶板的上部，射流靶板与射流孔板之间为空腔设计,所述射流靶板上设有多个扰流柱：
所述扰流柱整体为四棱柱设计，分为三部分组成，上、下两部分别为四棱锥柱状设计且扰流柱上、下面均为菱形；中间部分为六面体，六面体截面为菱形，六面体的棱边正对来流方向；
或者，所述扰流柱为月牙圆弧柱状设计，所述月牙圆弧柱状扰流柱上、下两个面相同，月牙圆弧柱状扰流柱底面的两个长弧线相同，均为半椭圆；
或者，所述扰流柱为哑铃形设计，其上、下两端均为圆柱设计，中间部分同为圆柱设计，上、下两端的圆柱的直径大于中间部分圆柱直径，上、下两端的圆柱高度小于中间部分圆柱高度。
进一步地，所述的冲击孔的直径为D。
进一步地，所述的四棱柱设计的扰流柱上、下面的菱形顶角为90°，底面边长为1.34D，棱边正对来流方向，四棱锥高度为0.5D，锥度为45°；所述的六面体的截面菱形，顶角为90°，截面边长0.89D，高度为D。
进一步地，所述月牙圆弧柱状设计的扰流柱底面弧线所在的半椭圆的长短轴之比为2:1，底面短轴长为0.526D，底面半椭圆长轴与来流方向垂直，底面两个长弧线之间的距离宽为0.5D，月牙圆弧柱状扰流柱高为2D。
进一步地，所述哑铃形设计扰流柱，其上、下两端圆柱直径为1.5D，圆柱高度为0.5D，中间圆柱直径为D，中间圆柱高度为D。
进一步地，所述多个扰流柱与多个冲击孔分别为顺排布置，扰流柱的排与冲击孔的排交错排列，即冲击孔的排在射流靶板的投影在两排扰流柱之间，每个扰流柱中心与其周围的冲击孔圆心的水平距离为2.5D。这里面的冲击孔分为多个排，同样扰流柱也为多排设计。
进一步地，所述的射流孔板与所述的射流靶板平行。
本发明的主要优点：
1、对于一般的阵列射流冷却而言，在上流冲击孔的冷却气流冲击靶板之后，会在冷却通道内产生一定量的横流，横流会对下流的射流产生影响，使下流射流发生偏移，导致靶板的冷却效果不均匀。在射流靶板上增加扰流柱则可以有效的减少横流带来的影响，同时扰流柱可以增加冷却通道内的换热效率，使冲击靶板的温度更加均匀。
2、对于一般的冲击孔而言，只有冲击孔垂直投影区域的壁面边界层很薄，故冲击驻点区域的具有很强的换热效果，在射流靶板上增加了扰流柱，使得冲击驻点以外的更大的范围内降低了靶板壁面边界层的厚度，达到了增强换热的效果。所说的边界层是指的在靠近壁面处的地方，流体会产生一种层流的流动状态，类似一种薄膜，边界层越厚，传热效果越差。
3、四棱柱设计的扰流柱，由于其截面是菱形，当射流流过扰流柱时会产生更多的涡，增加来流的湍流度，最大限度的提高冷却通道的换热效率，并使冲击靶板上的温度更加均匀，并且因为其锥形的形状可以产生较少的流动阻力。
4、月牙圆弧柱状设计的扰流柱的截面迎流面为面积较大的半椭圆形面，这种形状的扰流柱可以在阻碍横流发展，破坏边界层的同时，使换热面积增加，从而强化换热效率。
5、哑铃形设计的扰流柱，在横流发展严重的靶板底面的截面为大面积的圆形，可以更加有效的减少横流以及边界层带来的影响，而由于其哑铃型状的设计可以把扰流元件带来的流动阻力损失降到最低。
6、同时本发明设计的扰流柱结构的制造工艺简单，容易实现。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是四棱柱设计扰流柱结构立体示意图；
图3是四棱柱设计扰流柱结构的三视图；
图4是月牙圆弧柱状设计扰流柱结构立体示意图；
图5是月牙圆弧柱状设计扰流柱结构的三视图；
图6是哑铃形设计扰流柱结构立体示意图；
图7是哑铃形设计扰流柱结构三视图；
具体实施方式：
下面结合附图与具体实例对发明做进一步详细说明，但本发明并不限于以下实例。
参考图1，一种阵列射流冷却中高效的扰流柱结构，包括射流孔板1及射流靶板3，射流孔板1上设有多个阵列排列的冲击孔2；所述射流孔板1位于所述射流靶板3的上部，二者之间为空腔设计，扰流柱4设置在射流靶板3上。本方案中将冲击孔2的直径设为D.
作为方案的改进，参考图2与图3，扰流柱4为四棱柱设计，所述四棱柱设计扰流柱分为上中下三部分组成，上、下两部分别为四棱锥状设计且扰流柱上、下面均为菱形，菱形顶角为90°，底面边长为1.34D，棱边正对来流方向，高度为0.5D，锥度为45°。中间部分为六面体，六面体截面为菱形，六面体棱边正对来流方向，截面菱形顶角为90°，截面边长0.89D，高度为D。扰流柱4之间的间距为5D，冲击距离(冲击孔板到冲击靶板的距离)为2D。结果发现：在初始冷却空气流量、压强等条件相同的情况下，相较于无扰流柱的阵列冲击冷却,在射流靶板上设置四凌柱设计的扰流柱不仅可以减少横流给下游冲击带来的影响，使冲击靶板的换热更加均匀，还可以将冷却效率提升7.4％左右。
作为方案的改进，参考图4与图5，扰流柱4为月牙圆弧柱状设计，所述月牙圆弧柱状扰流柱底面的两个长的弧线相同且平行，均为半椭圆，其长短轴之比为2:1，底面弧线所在的椭圆的短轴长为0.526D，底面椭圆长轴与来流方向垂直，底面宽为0.5D(即两个弧形之间的距离为0.5D)，月牙圆弧柱状扰流柱高为2D。扰流柱4与扰流柱4间距为5D，冲击距离(冲击孔板到冲击靶板的距离)为2D。结果发现：在初始冷却空气流量、压强等条件相同的情况下，相较于无扰流柱的阵列冲击冷却在射流靶板上设置月牙圆弧柱设计的扰流柱，冲击靶板的冷却效率可以提升约12％。
作为方案的改进，参考图6与图7，扰流柱为哑铃形设计，所述哑铃形扰流柱的上、下两端圆柱直径为1.5D，圆柱高度为0.5D，中间圆柱直径为D，中间圆柱高度为D。扰流柱4间距为5D，冲击距离(冲击孔板到冲击靶板的距离)为2D。结果发现：在初始冷却空气流量、压强等条件相同的情况下，相较于无扰流柱的阵列冲击冷却，虽然靶板的冷却效率没有很明显的提升，仅升高了2％左右，但是靶板整体的温度梯度有明显的降低，整体的换热系数更加均匀。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种阵列射流冷却中的扰流结构，包括射流孔板及射流靶板，所述的射流孔板上设有多个阵列排列的冲击孔，所述射流孔板位于所述射流靶板的上部，射流靶板与射流孔板之间为空腔设计,所述射流靶板上设有多个扰流柱，其特征在于：
所述扰流柱为四棱柱设计，分为三部分组成，上、下两部分别为四棱锥柱状设计且扰流柱上、下面均为菱形；中间部分为六面体，六面体截面为菱形，六面体的棱边正对来流方向；
或者，所述扰流柱为月牙圆弧柱状设计，所述月牙圆弧柱状扰流柱上、下两个面相同，月牙圆弧柱状扰流柱底面的两个长弧线相同，均为半椭圆；
或者，所述扰流柱为哑铃形设计，其上、下两端均为圆柱设计，中间部分同为圆柱设计，上、下两端的圆柱的直径大于中间部分圆柱直径，上、下两端的圆柱高度小于中间部分圆柱高度；
所述的冲击孔的直径为D；
所述的四棱柱设计的扰流柱上、下面的菱形顶角为90°，底面边长为1.34D，棱边正对来流方向，四棱锥高度为0.5D，锥度为45°；所述的六面体的截面菱形，顶角为90°，截面边长0.89D，高度为D。
2.如权利要求1所述的一种阵列射流冷却中的扰流结构，其特征在于：所述月牙圆弧柱状设计的扰流柱底面弧线所在的半椭圆的长短轴之比为2:1，底面短轴长为0.526D，底面半椭圆长轴与来流方向垂直，底面两个长弧线之间的距离宽为0.5D，月牙圆弧柱状扰流柱高为2D。
3.如权利要求1所述的一种阵列射流冷却中的扰流结构，其特征在于：所述哑铃形设计扰流柱，其上、下两端圆柱直径为1.5D，圆柱高度为0.5D，中间圆柱直径为D，中间圆柱高度为D。
4.如权利要求1所述的一种阵列射流冷却中的扰流结构，其特征在于：所述多个扰流柱与多个冲击孔分别为顺排布置，扰流柱的排与冲击孔的排交错排列，每个扰流柱中心与其周围的冲击孔圆心的水平距离为2.5D。
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